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Modello Standard … e oltre Danilo Babusci INFN - Laboratori Nazionali di Frascati.

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Modello Standard … e oltre Danilo Babusci INFN - Laboratori Nazionali di Frascati.

D. BabusciMasterClass 2007 Modello Standard … e oltre.

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Presentazione sul tema: "Modello Standard … e oltre Danilo Babusci INFN - Laboratori Nazionali di Frascati."— Transcript della presentazione:

1 Modello Standard … e oltre Danilo Babusci INFN - Laboratori Nazionali di Frascati

2 Fisica delle Particelle Elementari Fisica delle Particelle Elementari (FdP) è larena naturale per lesibizione simultanea della Meccanica Quantistica e della Relatività Speciale Si interessa del comportamento fisico dei costituenti fondamentali del mondo, ovvero di oggetti al contempo molto piccoli e molto veloci piccole dimensionialte velocità

3 Le leggi fondamentali della natura sono leggi di probabilità, non leggi di certezza La M.Q. è una teoria chiara e quantitativa: le probabilità possono essere calcolate esattamente indefinita e indeterminata: posso conoscere solo la probabilità che accada qualcosa, mai ciò che accadrà Probabilità

4 Dov è la novità rispetto al lancio della moneta ?? La probabilità è : dignoranza nel mondo macroscopico (fisica classica) intrinseca alla struttura fondamentale della natura nel mondo microscopico Non importa con quanta precisione conosco le condizioni iniziali: è (in linea di principio) impossibile prevedere quando decadrà un atomo eccitato Probabilità

5 Mondo microscopico: onde e particelle appaiono come aspetti differenti della stessa cosa Onda come Particella: effetto fotoelettrico Onde & Particelle metallo luceelettroni luce monocromatica elettroni di energia definita

6 luce composta di quanti (fotoni) tutti di energia h aumento intensità = aumento n. fotoni aumento n. elettroni Onde & Particelle Einstein(1905) Particella come Onda fenomeni dinterferenza Davisson & Germer (1927): esperimenti di interferenza e diffrazione con fasci di elettroni

7 N.B. – Luce: effetti diffrattivi solo se apertura fenditura Onde & Particelle

8 de Broglie: ad ogni particella di massa m ed impulso p (= mv) corrisponde un onda con i. m = 80 kg con velocità v = 5 km/h ( 1.4 m/s) 6 x m ii.elettrone nellatomo di H : v 3 x 10 6 m/s 2.4 x m particella dimensioni atomo onda Onde & Particelle h p

9 Principio dIndeterminazione Onda di probabilità distribuzione di probabilità relativa alla posizione dellelettrone concetto di funzione donda (x) dellelettrone: Non localizzabilità relazione tra le accuratezze ottenibili nella determinazione simultanea di posizione e impulso di una particella Principio dIndeterminazione (Heisenberg) x p h 2π2π Probabilità che lelettrone si trovi nellintervallo (x,x+dx) = | (x) | 2 dx h=

10 Principio dIndeterminazione Piccolo tempo desposizione Grande tempo desposizione forma SI - velocità NO forma NO - velocità SI

11 Relazione dindeterminazione anche tra le variabili fisiche energia e tempo p = m v x = v t conoscenza accurata dellistante in cui avviene un evento ( t piccolo) conoscenza imprecisa della sua energia ( E piccolo) E t h Principio dIndeterminazione

12 Laspetto probabilistico sembra essere lessenza ultima delle leggi fondamentali della natura La fusione dei concetti di onda e particella richiedono labbandono di alcune idee classiche: Onda: rinuncia allidea di un mezzo materiale che vibra e fornisce supporto alla propagazione Particella: rinuncia allidea della localizzabilità onda - particella campo quantistico Campi Quantistici

13 Fisica ClassicaFisica Quantistica e-e- e-e- elettroni si avvicinano mutua repulsione rallentati e deviati t x e-e- e-e- e-e- e-e- e - emette cambia velocità e - assorbe cambia velocità Azione a distanza Interazione = scambio del Interazioni tra Campi

14 Caratterizzazione delle proprietà di trasformazione delle particelle sotto rotazioni spaziali Spin Campi Fondamentali

15 Quantità determinata che rappresenta il momento angolare intrinseco della particella (Idea intuitiva di spin: particella ruotante intorno ad un asse falsa: oggetto puntiforme non può ruotare su stesso) Campi suddivisi in 2 grandi categorie Fermioni: spin semintero Bosoni: spin intero

16 Campi Materiali Fermioni a spin 1/2 Leptoni Quarks Campi sono di 2 tipi Mediatori delle Interazioni Bosoni Campi Fondamentali

17 Campoq/e m (GeV) 6.8 x /3d 3 x /3 u < 3 x e 5 x e 1 ^ Famiglia /3s 1.22/3 c < 1.9 x ^ Famiglia 4.3-1/3b /3 t < 18.2 x ^ Famiglia Campi Materiali

18 Dove sono il protone, il neutrone, i pioni, … ?? Esperimenti di diffusione di e - su p ed n mostrano che queste non sono particelle elementari, ma possiedono componenti interni: quarks (Gell-Mann, Zweig) Caratteristiche essenziali dei quarks carica elettrica frazionaria carica di colore ciascun sapore esiste in 3 versioni: rosso, verde, blu (antiquarks portano anticolore) Campi Materiali

19 Esempio : Barioni (e.g. p, n) tripletti di quarks p = {u, u, d} n = {d, d, u} Mesoni (e.g. +, - ) coppie quark-antiquark + = {u, } - = {d, } Regole di combinazione dei quarks: solo oggetti bianchi, i.e. {RVB} oppure {colore – anticolore}, a carica elettrica intera (o nulla) Natura aborre stati di colore isolati: mai osservati quarks liberi Campi Materiali

20 Gravitazione & E.M *. : familiari nella vita quotidiana (causa il raggio dazione infinito) Debole * : responsabile della radioattività (decadimento del neutrone n p + e - + e ) Forte : inizialmente ritenuta responsabile del legame nucleare e mediata dal pione. Natura composta di p, n, interpretata come residuo dellinterazione di colore tra quarks mediata da gluoni colorati (trasportano colore-anticolore 8 combinazioni diverse) * sono in realtà manifestazioni di una stessa interazione: Elettrodebole (E.W.) Interazioni

21 Gravitazionaleenergia Q, L E. M.elettrica Q, L Deboledebole Q, L Forte (Colore)colore Q CaricaAzione R (cm) ForzaInterazione 4 interazioni per spiegare tutto lUniverso Interazioni

22 GravitazionaleGravitone (G)20 Elettromagnetica Fotone ( ) 10 Debole3 Bosoni (W, Z 0 )180.4, 91.2 Forte (Colore)8 Gluoni (g i )10 InterazioneMediatoreSpin m (GeV) Interazioni

23 The Standard Model H Higgs boson ? Gravity ?

24 Questioni Aperte ? 4 invece di 1 ? così diverse agiscono su classi diverse di particelle: quella di colore solo sui quarks intensità completamente differenti mediate da campi con proprietà diverse Interazioni ? Gravità così debole (a bassa energia) tra 2 e - : F Coulomb F Newton

25 ? 3 Famiglie m t 10 8 m e m m e ? masse cosí diverse Qualè la vera origine della massa ? ? Quarks & Leptoni G.U.Theory Predizione scioccante: decadimento del protone il destino ultimo dellUniverso non prevede la materia Questioni Aperte

26 esistenza di nuova forma di materia: particelle supersimmetriche soluzione problema della materia oscura ?? (solo 4.5 % della materia delluniverso è in forma di particelle ordinarie) ? Bosoni & Fermioni Nuova simmetria correla bosoni & fermioni per ogni bosone (fermione) esiste partner supersimmetrico fermionico (bosonico) Supersimmetria Questioni Aperte

27 Modello Standard + Supersimmetria E (GeV) (Intensità) e.m. debole colore gravità G.U. e.m. debole colore

28 particelle supersimmetriche ? Higgs ? unificazione E.W E (GeV) e cb W t unificazione E.W. - Colore Scala di Planck ? cosí distanti Questioni Aperte Problema gerarchico

29 ? Gravità incompatibile con M.Q. Questioni Aperte ? Spaziotempo ha dimensioni aggiunta di dimensioni spaziali extra attraverso cui si propaga solo la gravità, mentre le altre interazioni agiscono solo nello spaziotempo ordinario soluzione problema gerarchico ha a che fare con la debolezza della gravità ? modifica della legge di Newton a piccole distanze

30 Le particelle sono veramente puntiformi ? Teoria delle Stringhe ulteriore livello microscopico: particelle non sono puntiformi, ma piccoli ( cm) anelli oscillanti diversi stati di oscillazione della stringa particelle diverse Questioni Aperte

31 Conseguenze della Teoria delle Stringhe: spaziotempo di dimensione le altre 7 dimensioni spaziali sono arrotolate su distanze cm inosservabili alle energie a noi accessibili risoluzione conflitto M.Q. – Gravitazione Problema: manca la matematica !! ? Stringhe membrane p-dimensionali ? teoria M Questioni Aperte

32 Leggi dinterazione universali (indipendenza da luogo e tempo) estrapolazione nel passato (e nel futuro) Astrofisica Biologia Fisica Nucleare FdP Chimica Astroparticle Physics

33 t0a0 T Quale Fisica ? Gravità Quantistica t ~ s E ~ GeV Era di Planck

34 WMAP età dellUniverso 380,000 anni

35 Universo osservabile proviene da una regione piccolissima

36 La composizione dellUniverso


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